JP2011257122A - ヒートポンプ式蒸気発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気の使用負荷の変化に対応できるヒートポンプ式蒸気発生装置を提供する。
【解決手段】圧縮機３、凝縮器４、膨張弁５および蒸発器６が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプ２を備える。このヒートポンプ２の凝縮器４において、冷媒と水とを熱交換して、蒸気を発生させる。この蒸気の圧力は、圧力センサ３４で監視される。この圧力センサ３４の検出圧力を所望に維持するように、ヒートポンプ２の圧縮機３を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排温水、空気または排ガスなどを熱源としてヒートポンプを用いて蒸気を発生させるヒートポンプ式蒸気発生装置に関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されるように、蒸発器である熱交換器（１０）において、工場の排温水などから熱を吸収し、凝縮器である熱交換器（５）において、蒸気を発生させるヒートポンプ式蒸気発生装置が提案されている。この装置では、凝縮器からの蒸気は、蒸気送出管（１１）に設けた弁（１４）で蒸気圧力を調整されて、蒸気使用設備へ送られる。

特開２０１０−３８３９１号公報

しかしながら、従来技術では、蒸気使用設備における蒸気の使用負荷に応じて、蒸気発生量を調整することができない。そのため、蒸気使用設備における蒸気の使用量が増えれば、所望の蒸気圧の蒸気を供給できなくなるし、逆に、蒸気使用設備における蒸気の使用量が減るか無くなれば、蒸気が余ることになる。

また、ヒートポンプの熱源となる排温水の温度や流量などの変化に応じて、蒸気発生量は変化してしまうが、この点からも蒸気使用設備へ安定して蒸気を供給できるものではない。

本発明が解決しようとする課題は、蒸気の使用負荷の変化に対応できるヒートポンプ式蒸気発生装置を提供することにある。また、熱源の温度が変化した場合にも、蒸気使用設備へ安定して蒸気を供給可能とすることを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプを備え、前記凝縮器において、前記冷媒と水とを熱交換して蒸気を発生させ、この凝縮器にて発生させた蒸気の圧力を検出する圧力センサの検出圧力に基づき、前記圧縮機を制御することを特徴とするヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項１に記載の発明によれば、凝縮器にて発生させた蒸気の圧力に基づき、圧縮機を制御することで、所望の蒸気圧の蒸気を得ることができる。これにより、蒸気使用設備における蒸気の使用負荷の変化に対応することも可能となる。たとえば、蒸気使用設備における蒸気の使用量が増えれば、蒸気圧が下がるのでヒートポンプによる蒸気発生量を増やせばよく、逆に、蒸気使用設備における蒸気の使用量が減るか無くなれば、蒸気圧が高くなるのでヒートポンプによる蒸気発生量を減らすか無くせばよい。

請求項２に記載の発明は、前記凝縮器からの蒸気に、ボイラからの蒸気が弁を介して合流するよう構成（たとえば合流するよう配管）され、前記凝縮器からの蒸気と前記ボイラからの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置に前記圧力センサが設けられ、前記圧縮機は、前記圧力センサの検出圧力を第一設定圧力に維持するよう制御され、前記弁は、それより下流側の蒸気圧を第二設定圧力に維持するよう開閉または開度が調整され、前記第二設定圧力は、前記第一設定圧力よりも低く設定されることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項２に記載の発明によれば、ヒートポンプとボイラの双方から蒸気使用設備へ蒸気が供給可能とされ、しかもボイラからの蒸気路に設けた弁の設定圧力を、ヒートポンプ制御圧力よりも下げておくことで、ヒートポンプの運転を優先することができる。また、ボイラが併設されることで、ヒートポンプの熱源の温度が低下したり、ヒートポンプの熱源が一時的になくなったりしても、ボイラから蒸気使用設備へ安定して蒸気を供給することができる。

請求項３に記載の発明は、前記弁は、減圧弁から構成され、この減圧弁の設定圧力が前記第一設定圧力よりも低いことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項３に記載の発明によれば、減圧弁を用いることで、ボイラからの蒸気供給の有無を自力で切り替えて、ヒートポンプの運転を優先させつつ、それでは足りない場合にボイラからの蒸気を蒸気使用設備へ送ることができる。

請求項４に記載の発明は、前記蒸発器において、前記冷媒と温水とを熱交換して温水の冷却を図り、前記蒸発器の出口側に設けた温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項４に記載の発明によれば、工場などから排出される排温水など、温水の熱をくみ上げて蒸気を発生させることができる。また、蒸発器を通された後の温水の温度に基づき圧縮機を制御することができる。

請求項５に記載の発明は、前記温度センサの検出温度を第一設定温度に維持するよう前記蒸発器への給水量が制御され、前記温度センサの検出温度を第二設定温度に維持するよう前記圧縮機が制御され、前記第二設定温度は、前記第一設定温度よりも低く設定されることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項５に記載の発明によれば、蒸発器出口温度を所望に維持することで、ヒートポンプの効率を安定させることができる。

請求項６に記載の発明は、前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、設定タイミングで次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御との内、偏差率の小さい方で前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。
第一偏差率＝（第一上限圧力−現在圧力）／（第一上限圧力−第一下限圧力）
第二偏差率＝（現在温度−第二下限温度）／（第二上限温度−第二下限温度）

偏差率が小さいほど、目標値に近いので、圧縮機の操作量は小さくなる。仮に、偏差率が大きい方、つまり操作量が大きい方で圧縮機を制御しようとすると、偏差率が小さい方、つまり操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項６に記載の発明によれば、偏差率の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

請求項７に記載の発明は、前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、設定タイミングで、前記圧力センサによる制御における前記圧縮機の操作量と、前記温度センサによる制御における前記圧縮機の操作量とを求め、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御との内、操作量の小さい方で前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

仮に、操作量が大きい方で圧縮機を制御しようとすると、操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項７に記載の発明によれば、操作量の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

請求項８に記載の発明は、複数段のヒートポンプを備え、最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と温水とを熱交換し、最上段のヒートポンプの凝縮器において、蒸気を発生させ、前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、前記圧力センサの検出圧力に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、前記温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、設定タイミングで次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御との内、偏差率の小さい方の制御に切り替えることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。
第一偏差率＝（第一上限圧力−現在圧力）／（第一上限圧力−第一下限圧力）
第二偏差率＝（現在温度−第二下限温度）／（第二上限温度−第二下限温度）

偏差率が小さいほど、目標値に近いので、各圧縮機の操作量は小さくなる。仮に、偏差率が大きい方、つまり操作量が大きい方で各圧縮機を制御しようとすると、偏差率が小さい方、つまり操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項８に記載の発明によれば、偏差率の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、各圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

請求項９に記載の発明は、複数段のヒートポンプを備え、最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と温水とを熱交換し、最上段のヒートポンプの凝縮器において、蒸気を発生させ、前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、前記圧力センサの検出圧力に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、前記温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、設定タイミングで、前記圧力センサによる制御における最上段のヒートポンプの圧縮機の第一操作量（ｙ１）と、前記温度センサによる制御における最下段のヒートポンプの圧縮機の第二操作量（ｙ２）とから、前記第一操作量（ｙ１）の前記第二操作量（ｙ２）に対する比の値（ｙ１／ｙ２）を求め、この値が予め設定された定数未満なら、前記圧力センサによる制御を行う一方、前記定数以上なら前記温度センサによる制御を行うことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

仮に、操作量が大きい方で各圧縮機を制御しようとすると、操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項９に記載の発明によれば、操作量の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、各圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

請求項１０に記載の発明は、複数段のヒートポンプを備え、最上段のヒートポンプの凝縮器において、蒸気を発生させ、隣接する段のヒートポンプ同士は次の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの関係にあることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。
（ａ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器を備え、この間接熱交換器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
（ｂ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
（ｃ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換すると共に、この両冷媒と上段ヒートポンプの凝縮器から膨張弁を介することなく供給される冷媒とを混ぜることなく熱交換する中間冷却器を備え、下段ヒートポンプの圧縮機、前記中間冷却器、上段ヒートポンプの圧縮機、上段ヒートポンプの凝縮器、前記中間冷却器、下段ヒートポンプの膨張弁、下段ヒートポンプの蒸発器、そして再び下段ヒートポンプの圧縮機へ戻るよう冷媒を循環させる。

請求項１０に記載の発明によれば、各種構成の複数段ヒートポンプにより、蒸気を発生させることができる。

請求項１１に記載の発明は、上下に隣接する段のヒートポンプ同士は、前記（ａ）の関係にあり、下段ヒートポンプは、上段ヒートポンプよりも沸点の低い冷媒を用いたことを特徴とする請求項１０に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

仮に上下のヒートポンプに同一冷媒を用いる場合、下段ヒートポンプの方が低温になるので、冷媒の比容積が大きくなる。そのため、上下段の熱交換を行う熱交換器で上段冷媒の蒸発に必要な熱量を供給するために必要な下段冷媒の質量流量を作り出すためには、下段圧縮機の吸込み体積流量を大きくする必要があり、圧縮機が大型になる。ところが、請求項１１に記載の発明によれば、複数段のヒートポンプにおいて、上段よりも下段の方が沸点の低い冷媒を用いることで、下段の冷媒の比容積を小さくできるので、圧縮機の大型化を防止することができる。

請求項１２に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ、または請求項８〜１１のいずれか１項に記載の複数段のヒートポンプの内の一部または全部のヒートポンプにおいて、凝縮器から膨張弁への冷媒と蒸発器から圧縮機への冷媒とを混ぜることなく熱交換する液ガス熱交換器を備えることを特徴とするヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項１２に記載の発明によれば、蒸発器から圧縮機への冷媒は、液ガス熱交換器により、凝縮器から膨張弁への冷媒で過熱される。これにより、圧縮機の入口側のエンタルピを高めて、そしてそれにより圧縮機の出口側のエンタルピも高めることで、ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）を高めることができる。しかも、圧縮機へ液冷媒が供給される不都合も防止できる。

請求項１３に記載の発明は、複数段のヒートポンプの場合、最上段のヒートポンプには前記液ガス熱交換器が設けられないことを特徴とする請求項１２に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項１３に記載の発明によれば、高温高圧となる最上段のヒートポンプには液ガス熱交換器を設けないことで、圧縮機の出口側の温度上昇を防止することができ、圧縮機の潤滑油の劣化を防止することができる。

請求項１４に記載の発明は、蒸気発生用凝縮器から膨張弁への冷媒を、蒸気発生用凝縮器への給水で冷却するサブクーラを備えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項１４に記載の発明によれば、サブクーラにより、凝縮器から膨張弁への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器への給水の加温を図ることができる。また、冷媒と水との熱交換は、顕熱による熱交換部としてのサブクーラと、主として潜熱による熱交換部としての凝縮器とに分けられるので、伝熱効率がよい。

請求項１５に記載の発明は、蒸気発生用凝縮器へは、圧縮機の熱で加温された水が供給されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項１５に記載の発明によれば、圧縮機を介して凝縮器へ給水することで、給水の加温と圧縮機の冷却とを図ることができる。

請求項１６に記載の発明は、単段または最下段のヒートポンプの蒸発器へは、蒸気発生用凝縮器および／または圧縮機の熱で加温された水が供給されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項１６に記載の発明によれば、凝縮器および／または圧縮機を介して蒸発器へ給水することで、給水の加温と圧縮機などの冷却を図ることができる。

請求項１７に記載の発明は、ヒートポンプの蒸発器と凝縮器との間に並列に設置される複数の圧縮機、複数のヒートポンプが並列に設置されることによる複数の圧縮機、またはヒートポンプが複数段に設置されることによる複数の圧縮機は、共通の制御器および／または個別の制御器で制御されることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項１７に記載の発明によれば、共通の制御器および／または個別の制御器で、複数の圧縮機を制御することができる。

請求項１８に記載の発明は、ヒートポンプの蒸発器と凝縮器との間に並列に設置される複数の圧縮機、または複数のヒートポンプが並列に設置されることによる複数の圧縮機を備え、単段もしくは最上段のヒートポンプの凝縮器にて発生させた蒸気の圧力、および／または単段もしくは最下段のヒートポンプの蒸発器を通された後の温水の温度に基づき、前記複数の圧縮機の内の運転台数を変更することを特徴とする請求項１７に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項１８に記載の発明によれば、圧縮機の運転台数を変更することで、凝縮器からの蒸気の圧力、および／または蒸発器を通された後の温水の温度を所望に調整することができる。

請求項１９に記載の発明は、単段もしくは最上段のヒートポンプの凝縮器にて発生させた蒸気の圧力、および／または単段もしくは最下段のヒートポンプの蒸発器を通された後の温水の温度に基づき、前記複数の圧縮機の内、少なくとも一の圧縮機について、冷媒の吐出流量を調整することを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項１９に記載の発明によれば、圧縮機からの冷媒の吐出流量を調整することで、凝縮器からの蒸気の圧力、および／または蒸発器を通された後の温水の温度を所望に調整することができる。

請求項２０に記載の発明は、前記圧縮機を駆動するエンジンおよびモータを備え、このエンジンおよびモータの内、いずれを用いて圧縮機を運転するか、または双方を用いて圧縮機を運転するかが、前記蒸気の圧力または前記蒸発器通過後の水温に基づき変更されることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項２０に記載の発明によれば、エンジンおよびモータの一方または双方を用いて、所望の蒸気圧の蒸気を得るか、所望温度まで温水の冷却を図ることができる。

請求項２１に記載の発明は、前記蒸気の圧力が上限値を超えるか、前記蒸発器の入口または出口の被冷却流体の温度が上限値を超えると、前記圧縮機を強制停止させることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項２１に記載の発明によれば、蒸気圧や被冷却流体の温度が上限値を超えると圧縮機を強制停止させることで、安全性を高めることができる。

請求項２２に記載の発明は、蒸気発生用凝縮器へは、純水または軟水が供給されることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項２２に記載の発明によれば、凝縮器への給水として純水または軟水を用いることで、凝縮器へのスケール（水中の硬度分が析出したもの）の付着を防止することができる。

請求項２３に記載の発明は、蒸気発生用凝縮器内の水位を設定範囲に維持するように、蒸気発生用凝縮器への給水を制御することを特徴とする請求項２２に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項２３に記載の発明によれば、凝縮器内の水位を設定範囲に維持して、蒸気を安定して発生させることができる。

請求項２４に記載の発明は、前記圧縮機の積算回転数に基づき、蒸気発生用凝縮器内の水を入れ替えることを特徴とする請求項２２または請求項２３に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

蒸気の発生に伴い、凝縮器内の水が濃縮するので、所定のタイミングで排水が必要であるが、請求項２４に記載の発明によれば、圧縮機の積算回転数に基づき濃縮具合を簡易に判定することができる。

請求項２５に記載の発明は、前記冷媒は、次の（ａ）〜（ｃ）のいずれかであることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。
（ａ）炭素数が４以上のハイドロフルオロカーボン、またはこれに水および／または消火液を加えたもの。
（ｂ）アルコール、またはこれに水および／または消火液を加えたもの。
（ｃ）水。

請求項２５に記載の発明によれば、炭素数が４以上のハイドロフルオロカーボンまたはこれに水および／または消火液を加えたもの、アルコールまたはこれに水および／または消火液を加えたもの、または水を、ヒートポンプの冷媒として用いることで、ヒートポンプで蒸気発生を実現しやすい。また、ハイドロフルオロカーボンまたはアルコールに、水および／または消火液を加えた冷媒とすれば、安全性を高めることもできる。

さらに、請求項２６に記載の発明は、工場などからの排温水、前記圧縮機の冷却水、前記圧縮機のエンジンの潤滑油の冷却水、前記圧縮機のエンジンのジャケット冷却水、および前記ボイラからの排ガスの冷却水の内、少なくとも一つは、前記凝縮器への給水、前記蒸発器への給水、または前記ボイラへの給水とされるか、これら給水と熱交換されることを特徴とする請求項２〜２５のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項２６に記載の発明は、工場などからの排温水や、各種冷却水として用いることで加温された水を、凝縮器への給水、蒸発器への給水、またはボイラへの給水として用いたり、これら給水と熱交換して給水の加温を図ったりすることができる。

本発明によれば、蒸気の使用負荷の変化に対応できるヒートポンプ式蒸気発生装置を実現することができる。また、燃料焚きボイラなどを併設して、ヒートポンプによる蒸気発生を優先させつつ、蒸気使用設備へ安定して蒸気を供給することができる。

本発明のヒートポンプ式蒸気発生装置の一実施例を示す概略図である。 図１のヒートポンプ式蒸気発生装置の変形例１を示す図である。 図１のヒートポンプ式蒸気発生装置の変形例２を示す図である。 図１のヒートポンプ式蒸気発生装置の変形例３を示す図である。 図１のヒートポンプ式蒸気発生装置の変形例４を示す図である。 図１のヒートポンプ式蒸気発生装置の変形例５を示す図である。 図１のヒートポンプ式蒸気発生装置の変形例６を示す図である。 図１のヒートポンプ式蒸気発生装置の変形例７を示す図である。 図１から図８のヒートポンプ式蒸気発生装置における蒸気発生用凝縮器の具体的構成の一例を示す概略図である。 図９の蒸気発生用凝縮器の変形例を示す図である。 図１から図８のヒートポンプ式蒸気発生装置における、蒸気圧と減圧弁および圧縮機の状態とを示す概略図である。 図１１の変形例を示す図である。 温水冷却用蒸発器を通された後の水温に基づき圧縮機を制御する構成例を示す概略図である。 図１３のヒートポンプ式蒸気発生装置における、水温とバイパス弁および圧縮機の状態とを示す概略図である。 図１４の変形例を示す図である。 圧力センサによる制御と温度センサによる制御とが切り替えられる複数段のヒートポンプを備えるヒートポンプ式蒸気発生装置の一例を示す概略図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のヒートポンプ式蒸気発生装置１の一実施例を示す概略図であり、１段のヒートポンプ２を用いた場合を示している。また、図２から図８は、本実施例のヒートポンプ式蒸気発生装置１の変形例を示す図であり、図２から図４は２段のヒートポンプ２（２Ａ，２Ｂ）を用いた場合、図５から図８は３段のヒートポンプ２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）を用いた場合を示している。

いずれのヒートポンプ式蒸気発生装置１も、蒸気圧縮式のヒートポンプ２を備える。このヒートポンプ２は、その段数を特に問わず、単段でも複数段でもよい。ヒートポンプ２が複数段の場合も、それを構成する各段のヒートポンプ２は、基本的には図１に示される単段のヒートポンプ２と同様である。なお、複数段（多段）のヒートポンプには、図３のような一元多段のヒートポンプの他、図２のような複数元（多元）のヒートポンプ、あるいは図６のような両者の組合せのヒートポンプが含まれる。

図１に示すヒートポンプ式蒸気発生装置１は、１段（単段）のヒートポンプ２を備える。このヒートポンプ２は、圧縮機３、凝縮器４、膨張弁５および蒸発器６が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機３は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器４は、圧縮機３からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁５は、凝縮器４からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。そして、蒸発器６は、膨張弁５からの冷媒の蒸発を図る。

従って、ヒートポンプ２は、蒸発器６において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器４において、冷媒が外部へ放熱して凝縮することになる。これを利用して、ヒートポンプ式蒸気発生装置１は、蒸発器６において、温水、空気（空気圧縮機からの吐出空気のように熱を持った空気を含む）、排ガスなどから熱をくみ上げ、凝縮器４において、水を加熱して蒸気を発生させる。

図２に示すヒートポンプ式蒸気発生装置１は、上下２段のヒートポンプ２（２Ａ，２Ｂ）を備える。そして、１段目（下段）のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａからの冷媒と、２段目（上段）のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂからの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器７を備え、この間接熱交換器７が、１段目のヒートポンプ２Ａの凝縮器４Ａであると共に、２段目のヒートポンプ２Ｂの蒸発器６Ｂでもある。この場合、１段目のヒートポンプ２Ａの凝縮器４Ａと２段目のヒートポンプ２Ｂの蒸発器６Ｂとを兼ねる間接熱交換器７において、１段目のヒートポンプ２Ａの冷媒と２段目のヒートポンプ２Ｂの冷媒とを熱交換して、１段目のヒートポンプ２Ａの冷媒の凝縮と、２段目のヒートポンプ２Ｂの冷媒の気化とが図られる。

図３に示すヒートポンプ式蒸気発生装置１は、上下２段のヒートポンプ２（２Ａ，２Ｂ）を備える。そして、１段目のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａからの冷媒と、２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂからの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器８を備え、この中間冷却器８が、１段目のヒートポンプ２Ａの凝縮器４Ａであると共に、２段目のヒートポンプ２Ｂの蒸発器６Ｂでもある。具体的には、中間冷却器８として中空タンクが用いられ、１段目のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａからの冷媒と、２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂからの冷媒とを受け入れて、タンク内で直接に接触させることにより、１段目のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａからの冷媒の凝縮と、２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂからの冷媒の気化とを図る。そして、それにより得られる液冷媒を１段目のヒートポンプ２Ａの膨張弁５Ａへ送る一方、ガス冷媒は２段目のヒートポンプ２Ｂの圧縮機３Ｂへ送ればよい。

図４に示すヒートポンプ式蒸気発生装置１は、上下２段のヒートポンプ２（２Ａ，２Ｂ）を備える。そして、１段目のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａからの冷媒と、２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂからの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換すると共に、この両冷媒と２段目のヒートポンプ２Ｂの凝縮器４Ｂから膨張弁５Ｂを介することなく供給される冷媒とを混ぜることなく熱交換する中間冷却器９を備える。具体的には、中間冷却器９として、第一領域１０と第二領域１１の各流体を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器が用いられ、第一領域１０において、１段目のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａからの冷媒と２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂからの冷媒とが直接に熱交換される一方、第二領域１１に、２段目のヒートポンプ２Ｂの凝縮器４Ｂから膨張弁５Ｂを介することなく冷媒を通せばよい。この場合、１段目のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａからの冷媒は、中間冷却器９において２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂからの冷媒で中間冷却を図られた後、２段目のヒートポンプ２Ｂの圧縮機３Ｂにおいてさらに高圧高温のガス冷媒とされ、２段目のヒートポンプ２Ｂの凝縮器４Ｂにて凝縮される。そして、その液冷媒の一部は、２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂを介して、中間冷却器９の第一領域１０へ送られる一方、残りの液冷媒は、中間冷却器９の第二領域１１を介して、１段目のヒートポンプ２Ａの膨張弁５Ｂで減圧され、１段目のヒートポンプ２Ａの蒸発器６Ａにおいて気化した後、再び１段目のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａへ戻される。

図５に示すヒートポンプ式蒸気発生装置１は、上下３段のヒートポンプ２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）を備える。ここでは、１段目のヒートポンプ２Ａと２段目のヒートポンプ２Ｂとが図２と同様の関係で接続されると共に、２段目のヒートポンプ２Ｂと３段目のヒートポンプ２Ｃとが図２と同様の関係で接続されている。具体的には、１段目のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａからの冷媒と、２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂからの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器７を備え、この間接熱交換器７が、１段目のヒートポンプ２Ａの凝縮器４Ａであると共に、２段目のヒートポンプ２Ｂの蒸発器６Ｂでもある。また、２段目のヒートポンプ２Ｂの圧縮機３Ｂからの冷媒と、３段目のヒートポンプ２Ｃの膨張弁５Ｃからの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器７を備え、この間接熱交換器７が、２段目のヒートポンプ２Ｂの凝縮器４Ｂであると共に、３段目のヒートポンプ２Ｃの蒸発器６Ｃでもある。

図６に示すヒートポンプ式蒸気発生装置１は、上下３段のヒートポンプ２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）を備える。ここでは、１段目のヒートポンプ２Ａと２段目のヒートポンプ２Ｂとが図３と同様の関係で接続されると共に、２段目のヒートポンプ２Ｂと３段目のヒートポンプ２Ｃとが図２と同様の関係で接続されている。具体的には、１段目のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａからの冷媒と、２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂからの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器８を備え、この中間冷却器８が、１段目のヒートポンプ２Ａの凝縮器４Ａであると共に、２段目のヒートポンプ２Ｂの蒸発器６Ｂでもある。また、２段目のヒートポンプ２Ｂの圧縮機３Ｂからの冷媒と、３段目のヒートポンプ２Ｃの膨張弁５Ｃからの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器７を備え、この間接熱交換器７が、２段目のヒートポンプ２Ｂの凝縮器４Ｂであると共に、３段目のヒートポンプ２Ｃの蒸発器６Ｃでもある。

図７に示すヒートポンプ式蒸気発生装置１は、上下３段のヒートポンプ２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）を備える。ここでは、１段目のヒートポンプ２Ａと２段目のヒートポンプ２Ｂとが図２と同様の関係で接続されると共に、２段目のヒートポンプ２Ｂと３段目のヒートポンプ２Ｃとが図３と同様の関係で接続されている。具体的には、１段目のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａからの冷媒と、２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂからの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器７を備え、この間接熱交換器７が、１段目のヒートポンプ２Ａの凝縮器４Ａであると共に、２段目のヒートポンプ２Ｂの蒸発器６Ｂでもある。また、２段目のヒートポンプ２Ｂの圧縮機３Ｂからの冷媒と、３段目のヒートポンプ２Ｃの膨張弁５Ｃからの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器８を備え、この中間冷却器８が、２段目のヒートポンプ２Ｂの凝縮器４Ｂであると共に、３段目のヒートポンプ２Ｃの蒸発器６Ｃでもある。

図８に示すヒートポンプ式蒸気発生装置１は、上下３段のヒートポンプ２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）を備える。ここでは、１段目のヒートポンプ２Ａと２段目のヒートポンプ２Ｂとが図３と同様の関係で接続されると共に、２段目のヒートポンプ２Ｂと３段目のヒートポンプ２Ｃとが図３と同様の関係で接続されている。具体的には、１段目のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａからの冷媒と、２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂからの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器８を備え、この中間冷却器８が、１段目のヒートポンプ２Ａの凝縮器４Ａであると共に、２段目のヒートポンプ２Ｂの蒸発器６Ｂでもある。また、２段目のヒートポンプ２Ｂの圧縮機３Ｂからの冷媒と、３段目のヒートポンプ２Ｃの膨張弁５Ｃからの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器８を備え、この中間冷却器８が、２段目のヒートポンプ２Ｂの凝縮器４Ｂであると共に、３段目のヒートポンプ２Ｃの蒸発器６Ｃでもある。

なお、図６における１段目のヒートポンプ２Ａと２段目のヒートポンプ２Ｂとの関係、図７における２段目のヒートポンプ２Ｂと３段目のヒートポンプ２Ｃとの関係、および図８における上下隣接する各ヒートポンプ２Ａ，２Ｂ，２Ｃの関係は、それぞれ図３と同様の関係としたが、図４と同様の関係で接続してもよい。

さらに、ここでは、ヒートポンプ式蒸気発生装置１は、３段までのヒートポンプ２を用いる例のみを示したが、４段以上のヒートポンプ２で構成してもよい。その際、上下隣接するヒートポンプ２同士は、図２から図４に示されるいずれの関係で接続してもよい。

各ヒートポンプ２に用いる冷媒は、特に問わないが、炭素数が４以上のハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）またはこれに水および／または消火液を加えたもの、アルコール（たとえばエチルアルコールまたはメチルアルコール）またはこれに水および／または消火液を加えたもの、または水（たとえば純水または軟水）が好適に用いられる。これら冷媒を用いることで、効率よく、排温水などから熱をくみ上げて蒸気を発生させることができる。また、可燃性のあるＨＦＣやアルコールの場合には、水および／または消火液を混ぜることにより、安全性を高めることができる。

複数段のヒートポンプ２を用いる場合、隣接する上下のヒートポンプ２，２が図２に示す関係で接続されることにより、上下のヒートポンプ２，２の冷媒同士が混ざらないのであれば、上下のヒートポンプ２，２で互いに異なる冷媒を用いてもよい。この際、下段ヒートポンプは、上段ヒートポンプよりも沸点の低い冷媒を用いるのが好ましい。仮に上下のヒートポンプ２，２に同一冷媒を用いる場合、下段ヒートポンプの方が低温になるので、冷媒の比容積が大きくなる。そのため、上下段の熱交換を行う熱交換器で上段冷媒の蒸発に必要な熱量を供給するために必要な下段冷媒の質量流量を作り出すためには、下段圧縮機の吸込み体積流量を大きくする必要があり、圧縮機が大型になる。ところが、複数段のヒートポンプにおいて、上段よりも下段の方が沸点の低い冷媒を用いることで、下段の冷媒の比容積を小さくできるので、圧縮機の大型化を防止することができる。

単段または複数段の各ヒートポンプ２は、冷媒の液相および気相の２相域が用いられる。そのために、各ヒートポンプ２の冷媒は、その臨界温度が、凝縮器４における冷媒の圧力に対する冷媒の飽和温度よりも高いものが用いられる。液相から気相への相変化、および気相から液相への相変化を利用したヒートポンプ２とすることで、潜熱を用いることができる。本発明のようにヒートポンプ２で水を加熱して蒸気を発生させる場合、単に水を加熱して温水を製造する場合とは比較にならない大きな蒸発潜熱が必要であるから、冷媒の側も顕熱ではなく潜熱を利用するのである。

いずれにしても、ヒートポンプ式蒸気発生装置１は、最下段のヒートポンプ（単段のヒートポンプを含む）２の蒸発器６Ｚにおいて、温水、空気、排ガスなどから熱をくみ上げる。たとえば、工場などから排出される排温水を用い、最下段のヒートポンプ２の蒸発器６Ｚにおいて、排温水による冷媒の加温と、冷媒の気化熱による排温水の冷却とが図られる。そして、最上段のヒートポンプ（単段のヒートポンプを含む）２の凝縮器４Ｚにおいて、水を加熱して蒸気を発生させる。蒸気発生用凝縮器４Ｚへの給水としては、凝縮器４Ｚを構成する熱交換器内へのスケール（水中の硬度分が析出したもの）の付着を防止するために、純水または軟水であるのが好ましい。

最上段のヒートポンプ２の凝縮器４、つまり蒸気発生用凝縮器４Ｚは、冷媒と水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器であれば、その具体的構成を特に問わない。たとえば、プレート式熱交換器を用いてもよいが、本実施例では図９に示すように、シェルアンドチューブ式熱交換器１２が用いられる。

シェルアンドチューブ式熱交換器１２は、中空容器状のシェル１３内に複数のチューブ１４が配置されて構成され、シェル１３とチューブ１４との内、一方に水が溜められ、他方に冷媒が通されることで、熱交換器１２内で冷媒により水を加熱して蒸気化する。シェル１３とチューブ１４との内、いずれに水を溜め、いずれに冷媒を通すかは、適宜に設定される。

各チューブ１４を上下に向けた縦置きで用いる場合、シェル１３とチューブ１４との内、いずれに水を溜める場合でも、気泡が途中に溜まらない利点がある。また、一般に冷媒は水より熱伝達率が低い点、および、チューブ１４は内周面よりも外周面の面積が大きくなる点を考慮すれば、チューブ１４の内側に水を溜め、外側（つまりシェル１３）に冷媒を通すのが好ましい。

各チューブ１４を左右に向けた横置きで用いる場合、前述したように、冷媒の熱伝達率が水よりも低い点を考慮すれば、伝熱面積が大きくなるチューブ１４の外側（つまりシェル１３）に冷媒を通すのがよい。この場合、ガス冷媒がチューブ１４の外周面で凝縮して液滴となっても、その液滴をチューブ１４から容易に脱落させることができる利点もある。但し、チューブ１４内に気泡が溜まるおそれがあるので、ポンプで水を強制循環させるなどの工夫が必要となる。一方、シェル１３に水を溜めれば、気泡が途中に溜まらない利点がある。

図９は、蒸気発生用凝縮器４Ｚの具体的構成の一例を示す概略図であり、ボイラ１５を併設した蒸気システムを示している。ここでは、蒸気発生用凝縮器４Ｚとして、シェルアンドチューブ式熱交換器１２を縦にして用いている。

シェルアンドチューブ式熱交換器１２は、前述したように、中空容器状のシェル１３内に複数のチューブ１４が配置されて構成される。図示例では、円筒状のシェル１３内に、シェル１３の軸線と平行に複数のチューブ１４が配置され、各チューブ１４の両端部は、シェル１３の軸方向両端部に配置された管寄せ１６，１７に開口している。そして、シェル１３とチューブ１４との内、一方に水を溜めておき、他方に冷媒を通すことで、熱交換器１２内で冷媒により水を加熱して蒸気化する一方、ガス冷媒を水により冷却して凝縮させる。

図９の場合、各チューブ１４が上下方向へ沿うように、シェルアンドチューブ式熱交換器１２は縦に設置されている。そして、ここでは、チューブ１４に水が貯留され、シェル１３に冷媒が通される。具体的には、下部管寄せ１７を介して各チューブ１４には、給水ポンプ１８からの水が逆止弁１９を介して供給可能とされる。給水路２０に逆止弁１９を設けておくことで、給水ポンプ１８の停止時に、水が逆流するのを防止することができる。

給水ポンプ１８は、水位検出器（図示省略）の検出結果に基づき制御され、これにより、熱交換器１２内の水位は設定範囲に維持される。具体的には、下限水位を下回ると給水ポンプ１８を作動させ、上限水位を上回ると給水ポンプ１８を停止させればよい。但し、給水制御の方法は、これに限らず、たとえば、水位に比例した信号を得ることができる静電容量式の水位検出器を用いて、給水ポンプ１８をインバータ制御して、給水量を調整してもよい。また、給水ポンプ１８をインバータ制御する代わりに、給水ポンプ１８と逆止弁１９との間に給水弁（図示省略）を設け、給水ポンプ１８を作動させたまま、給水弁の開度を調整してもよい。

圧縮機３からのガス冷媒は、シェル１３の上方から供給され、チューブ１４に接触することで凝縮し、液冷媒としてシェル１３の下方から排出される。冷媒と水との熱交換を高めるには、チューブ１４の表面から冷媒の凝縮液を速やかに脱落させるのが好ましい。そこで、シェル１３内にはバッフル板２１を斜めに配置して、このバッフル板２１にチューブ１４を貫通させた構成とするのがよい。この場合、チューブ１４表面の冷媒の凝縮液は、バッフル板２１を伝ってシェル１３の壁面近くで、シェル１３の下方へ落とされる。なお、チューブ１４の内側および／または外側には、適宜、フィンや溝などを設けて、伝熱面積の拡大を図ってもよい。

チューブ１４内の水は、シェル１３の冷媒との熱交換により加熱され、蒸気化される。その蒸気は、上部管寄せ１６から所望により気水分離器２２を介して、各種の蒸気使用設備（図示省略）へ送られる。図示例の気水分離器２２は、上下方向へ沿って円筒状の胴２３を有し、この胴２３の周側壁に接線方向に接続された蒸気入口管２４を介して、上部管寄せ１６から蒸気が胴２３内へ導入される。胴２３内へ導入された蒸気は、胴２３内で旋回し、その遠心力で水滴は胴２３の周側壁に当たって下方へ脱落し、そのようにして乾き度を向上された蒸気が、胴２３の上部に接続された蒸気出口管２５から導出される。

蒸気出口管２５からの蒸気は、逆止弁２６の他、所望により減圧弁や蒸気ヘッダなどを介して、各種の蒸気使用設備へ送られる。蒸気出口管２５からの蒸気とボイラ（燃料焚きボイラまたは電気ボイラなど）１５からの蒸気とを合流させる場合、ヒートポンプ式蒸気発生装置１の運転を止めた際に、ボイラ１５からの蒸気が凝縮器４Ｚへ逆流するのを防止するために、蒸気出口管２５には逆止弁２６を設けておくのが好ましい。

胴２３の下部と凝縮器４Ｚの下部管寄せ１７とは分離水戻し管２７で接続されており、胴２３内で遠心分離された水は、凝縮器４Ｚへ戻される。なお、二点鎖線で示すように、上部管寄せ１６と下部管寄せ１７とを、気水分離器２２を介さずに降水管２８で接続してもよい。胴２３もしくは分離水戻し管２７、または胴２３と分離水戻し管２７の両者に跨って、目視で水位を確認できる水面計２９が設けられる。降水管２８を設ける場合には、降水管２８に水面計２９を設けてもよい。なお、前述したとおり、凝縮器４Ｚには、電極式や静電容量式などの水位検出器が設置される。

分離水戻し管２７の下部には、排水管３０が分岐するよう接続され、この排水管３０には排水弁３１が設けられる。ヒートポンプ式蒸気発生装置１の運転に伴い、蒸気発生用凝縮器４Ｚ内の水が濃縮するので、適宜、この排水弁３１を開けて排水（ブロー）し、凝縮器４Ｚ内の水の一部または全部が入れ替えられる。この排水のタイミングは、電気伝導度センサにより水の濃縮度を検知してもよいが、圧縮機３（最上段のヒートポンプ２の圧縮機３がよい）の積算回転数（ヒートポンプ式蒸気発生装置１の設置からの総回転数）を利用するのが簡易である。具体的には、直前のブローからの圧縮機３の積算回転数で、次回のブローのタイミングを決定することができる。発生させた蒸気量で濃縮度が変化すること、および蒸気量は圧縮機３の回転数に比例することを考慮したものである。

蒸気発生用凝縮器４Ｚの上部管寄せ１６、またはそこから逆止弁２６までの適宜の箇所には、真空破壊弁３２が設けられる。ヒートポンプ式蒸気発生装置１の運転を停止した後、蒸気発生用凝縮器４Ｚ内の蒸気が凝縮することで、蒸気発生用凝縮器４Ｚ内が負圧になろうとすると、真空破壊弁３２が外気を導入してそれを防止する。

図１０は、図９の変形例を示す概略図である。図９では、蒸気発生用凝縮器４Ｚは、各チューブ１４が上下方向へ沿うよう配置されたが、図１０では、蒸気発生用凝縮器４Ｚは斜めに配置される。この場合、バッフル板２１は、チューブ１４の長手方向と直交する方向に設けておけば足りる。また、図１０では、シェル１３の軸方向中央部から冷媒を入れる例を示している。この場合、シェル１３内に導入された冷媒は、バッフル板２１により適宜分散してシェル１３内を通過し、チューブ１４内の水を加熱すると共に、自らは凝縮してシェル１３の下部から排出される。なお、上部管寄せ１６から気水分離器２２への蒸気入口管２４の接続は、実線で示すように上部管寄せ１６の中央に接続してもよいし、二点鎖線で示すように左右いずれかに寄せた位置としてもよい。

ヒートポンプ式蒸気発生装置１は、蒸気発生用凝縮器４Ｚにて発生させた蒸気の圧力に基づき、圧縮機３が制御される。具体的には、蒸気発生用凝縮器４Ｚからの蒸気圧を検出するために、蒸気発生用凝縮器４Ｚの上部管寄せ１６またはそこからの蒸気路３３（蒸気入口管２４や蒸気出口管２５など）には圧力センサ（圧力スイッチを含む）３４が設けられ、この圧力センサ３４の検出信号に基づきヒートポンプ２の圧縮機３が制御される。

圧縮機３は、圧縮機本体とその駆動装置とを備え、駆動装置はエンジン（典型的にはガスエンジンまたはディーゼルエンジン）および／またはモータから構成される。圧縮機３の制御の具体的態様としては、たとえば、駆動装置がオンオフ制御される。あるいは、圧縮機本体と駆動装置との間に、駆動装置から圧縮機本体への動力伝達装置（クラッチおよび／または変速機）を設けておき、駆動装置から圧縮機本体への動力伝達の有無や量を変更するように、動力伝達装置が制御される。あるいは、駆動装置を構成するモータをインバータで制御して、モータの回転数（回転速度ともいえる）を変える。あるいは、駆動装置を構成するエンジンのアクセルを制御して、エンジンの出力を変える。あるいは、圧縮機本体の冷媒吐出流量（吸込側を調整することにより吐出流量を変える場合も含む）を機械的に調整するために、圧縮機本体が制御される。これらの内、複数のものを組み合わせて、圧縮機３を制御してもよい。

また、ヒートポンプ式蒸気発生装置１は、圧縮機３入口（図１のａ部）の過熱度を所望に維持するように、膨張弁５の開度が調整される。具体的には、圧縮機３入口（蒸発器６出口）における冷媒の圧力と温度とから冷媒の過熱度を求め、この過熱度を所望に維持するように膨張弁５の開度が調整される。なお、後述する液ガス熱交換器３５を設置する場合も、圧縮機３入口（液ガス熱交換器３５出口）における冷媒の圧力と温度とから冷媒の過熱度を求め、所望の過熱度に維持するように膨張弁の開度を調整すればよい。

ヒートポンプ式蒸気発生装置１が複数段のヒートポンプ２を備える場合には、最上段のヒートポンプ２の圧縮機３は、蒸気発生用凝縮器４Ｚからの蒸気圧に基づき制御され、それより下段の各ヒートポンプ２の圧縮機３は、それぞれ対応する段のヒートポンプ２の凝縮器４における冷媒（または一つ上段のヒートポンプ２の蒸発器６における冷媒）の圧力または温度に基づき制御されるのがよい。また、各段の膨張弁５は、対応する段の圧縮機３入口における冷媒の過熱度を所望に維持するように開度調整される。

たとえば、図２に示すヒートポンプ式蒸気発生装置１では、２段目のヒートポンプ２Ｂにおいては、凝縮器４Ｂにて発生させた蒸気の圧力に基づき圧縮機３Ｂが制御され、１段目のヒートポンプ２Ａにおいては、１段目のヒートポンプ２Ａの凝縮器４Ａと２段目のヒートポンプ２Ｂの蒸発器６Ｂを兼ねた間接熱交換器７における冷媒（１段目のヒートポンプ２Ａの冷媒であるが、場合により２段目のヒートポンプ２Ｂの冷媒でもよい）の圧力または温度に基づき圧縮機３Ａが制御される。また、各段のヒートポンプ２において、圧縮機３入口の過熱度を所望に維持するように膨張弁５の開度が調整される。

また、図３に示すヒートポンプ式蒸気発生装置１では、２段目のヒートポンプ２Ｂにおいては、凝縮器４Ｂにて発生させた蒸気の圧力に基づき圧縮機３Ｂが制御され、１段目のヒートポンプ２Ａにおいては、中間冷却器８内の圧力に基づき圧縮機３Ａが制御される。また、各段のヒートポンプ２において、圧縮機３入口の過熱度を所望に維持するように膨張弁５の開度が調整される。但し、２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂについては、中間冷却器８（または２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂ手前に受液器を設ける場合にはその受液器でもよい）の液冷媒の液位を所望に維持するように、開度を調整するのがよい。

また、図４に示すヒートポンプ式蒸気発生装置１では、２段目のヒートポンプ２Ｂにおいては、凝縮器４Ｂにて発生させた蒸気の圧力に基づき圧縮機３Ｂが制御され、１段目のヒートポンプ２Ａにおいては、中間冷却器９内の圧力（１段目のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａからの冷媒と２段目のヒートポンプ２Ｂの膨張弁５Ｂからの冷媒との混合冷媒の圧力）に基づき圧縮機３Ａが制御される。また、各段のヒートポンプ２において、圧縮機３入口の過熱度を所望に維持するように膨張弁５の開度が調整される。

３段以上のヒートポンプ２を備える場合も同様に、最上段のヒートポンプ２の圧縮機３は、蒸気発生用凝縮器４Ｚからの蒸気圧に基づき制御され、それより下段の各ヒートポンプ２の圧縮機３は、それぞれ対応する段のヒートポンプ２の凝縮器４における冷媒の圧力または温度に基づき制御すればよい。また、各段の膨張弁５は、基本的には、対応する段の圧縮機３入口における冷媒の過熱度を所望に維持するように開度調整すればよく、例外的に、図３に基づき説明したように、液位に基づく制御を行ってもよい。

本実施例のヒートポンプ式蒸気発生装置１によれば、蒸気発生用凝縮器４Ｚからの蒸気圧に基づき圧縮機（前述したように直接的には最上段の圧縮機）３を制御することで、所望の蒸気圧の蒸気を得ることができる。典型的には、蒸気発生用凝縮器４Ｚからの蒸気圧を、所望に設定された所定圧力に維持するようにヒートポンプ２を運転して、所定圧力の蒸気を蒸気使用設備へ安定して供給することができる。

たとえば、蒸気使用設備における蒸気の使用量が増えて、圧力センサ３４の検出圧力が所定圧力未満となると、圧縮機３を作動させて蒸気を発生させ、逆に、蒸気使用設備における蒸気の使用量が減るか無くなり、圧力センサ３４の検出圧力が所定圧力以上となると、圧縮機３を停止させればよい。この際、蒸気圧の上昇時と下降時とで圧縮機３をオンオフする圧力にディファレンシャル（動作隙間）を設けてもよいことは言うまでもない。また、圧縮機３をオンオフ制御する以外に、圧力センサ３４の検出圧力が所定圧力になるように、圧縮機３を駆動するモータをインバータ制御したりしてもよい。

図９および図１０に示すように、ヒートポンプ式蒸気発生装置１は、ボイラ１５が併設されてもよい。このボイラ１５は、典型的には燃料焚きボイラまたは電気ボイラである。燃料焚きボイラは、燃料の燃焼により水を蒸気化する装置であり、缶体内の蒸気圧を所望に維持するように、燃焼の有無や量が調整される。また、電気ボイラは、電気ヒータにより水を蒸気化する装置であり、缶体内の蒸気圧を所望に維持するように、電気ヒータへの電力供給の有無や量が調整される。但し、ボイラ１５は、燃料焚きボイラまたは電気ボイラに限らず、廃熱ボイラなどであってもよい。廃熱ボイラの場合、その熱源は特に問わず、たとえば、エンジンなどからの排ガス、またはＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）からの廃熱を用いることができる。

蒸気発生用凝縮器４Ｚから蒸気使用設備への蒸気路３３には、ボイラ１５からの蒸気路３６が接続される。この接続は、蒸気ヘッダにて行うこともできる。ボイラ１５からの蒸気路３６には、減圧弁３７が設けられる。この減圧弁３７の設定圧力は、前記圧縮機制御用の所定圧力よりも低く設定しておくのがよい。

また、ヒートポンプ２（具体的にはその凝縮器４）からの蒸気とボイラ１５からの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置には、圧力センサ３４が設けられる。図示例では、凝縮器４およびボイラ１５からの蒸気が合流された後の蒸気路に、圧力センサ３４が設けられているが、ヒートポンプ２からの蒸気とボイラ１５からの蒸気とを蒸気ヘッダで合流させる場合、その蒸気ヘッダに圧力センサ３４を設けてもよい。また、合流蒸気の圧力を検出可能であれば、凝縮器４からの蒸気路であって合流部よりも上流側でもよいし、ボイラ１５からの蒸気路であって合流部よりも上流側で且つ減圧弁３７より下流側に設けてもよい。但し、逆止弁２６を設ける場合には、逆止弁２６より下流側に設けられる。

図１１は、圧力センサ３４の検出圧力、減圧弁３７の開閉状態、および最上段の圧縮機３の動作状態を示す概略図である。ここでは、圧縮機３が第一設定圧力（＝前記「所定圧力」）Ｐ１でオンオフされ、減圧弁３７が第二設定圧力Ｐ２で開閉される例について説明する。

圧力センサ３４の検出圧力が第二設定圧力Ｐ２未満であると、圧縮機３が駆動されると共に減圧弁３７は開放している。これにより、ヒートポンプ２およびボイラ１５からの蒸気が蒸気使用設備へ供給される。そして、第二設定圧力Ｐ２以上になると、減圧弁３７が閉鎖し、ボイラ１５からの蒸気供給は停止され、ヒートポンプ２から蒸気供給される。圧力センサ３４の検出圧力が第一設定圧力Ｐ１以上になると、圧縮機３が停止し、ヒートポンプ２からの蒸気供給も停止される。そして、圧力センサ３４の検出圧力が第一設定圧力Ｐ１未満になると、圧縮機３が駆動され、ヒートポンプ２による蒸気だけでは賄い切れず、第二設定圧力Ｐ２未満になると、減圧弁３７が開いてボイラ１５からも蒸気が供給される。

なお、第一設定圧力Ｐ１および第二設定圧力Ｐ２には、所望によりそれぞれディファレンシャル（動作隙間）が設定されるのは言うまでもない。また、圧縮機３は、オンオフ制御だけでなく、比例制御やＰＩＤ制御されてもよいし、減圧弁３７に代えて電動弁（モータバルブまたは比例制御弁など）を設置して、圧力センサ３４の検出圧力を第二設定圧力Ｐ２に維持するように電動弁を制御してもよい。

これらの場合について、図１２に基づき説明する。なお、図１２では、第一設定圧力Ｐ１のディファレンシャル（または比例帯）Ｐ１Ｈ〜Ｐ１Ｌと、第二設定圧力Ｐ２のディファレンシャル（または比例帯）Ｐ２Ｈ〜Ｐ２Ｌとはオーバーラップしていないが、一部をオーバーラップさせてもよい。つまり、第二上限圧力Ｐ２Ｈは、第一下限圧力Ｐ１Ｌよりも高圧に設定されてもよい。

まず、第一設定圧力Ｐ１および第二設定圧力Ｐ２に、それぞれディファレンシャルが設定されたオンオフ制御を説明する。この場合、第一設定圧力Ｐ１については、第一上限圧力Ｐ１Ｈと第一下限圧力Ｐ１Ｌとが設定され、圧力上昇時、圧力センサ３４の検出圧力が第一上限圧力Ｐ１Ｈ以上になると圧縮機３が停止し、圧力下降時、圧力センサ３４の検出圧力が第一下限圧力Ｐ１Ｌ未満になると圧縮機３が駆動する。また、第二設定圧力Ｐ２については、第二上限圧力Ｐ２Ｈと第二下限圧力Ｐ２Ｌとが設定され、圧力上昇時、第二上限圧力Ｐ２Ｈ以上になると減圧弁３７（自力式減圧弁または電磁弁）が閉じ、圧力下降時、第二下限圧力Ｐ２Ｌ未満になると減圧弁３７が開く。

次に、圧縮機３と電動弁（減圧弁３７に代えて設置される電動弁）を比例制御する場合の一例について説明する。この場合、圧力センサ３４の検出圧力に基づき、第一上限圧力Ｐ１Ｈと第一下限圧力Ｐ１Ｌとの範囲で、且つその第一上限圧力Ｐ１Ｈを設定値（目標値）として圧縮機３を比例制御する。典型的には圧縮機３の回転数を変える。また、圧力センサ３４の検出圧力に基づき、第二上限圧力Ｐ２Ｈと第二下限圧力Ｐ２Ｌとの範囲で、且つその第二上限圧力Ｐ２Ｈを設定値（目標値）として電動弁を比例制御する。つまり、電動弁の開度を調整する。ここで、第一上限圧力Ｐ１Ｈ以上では、圧縮機３は停止し、第一下限圧力Ｐ１Ｌ未満では、圧縮機３は全負荷運転する。また、第二上限圧力Ｐ２Ｈ以上では、電動弁は全閉し、第二下限圧力Ｐ２Ｌ未満では、電動弁は全開する。なお、比例制御ではなくＰＩＤ制御を行ってもよい。

いずれの場合も、後述する温度センサ３９により蒸発器６の出口側の水温を監視し、この温度が下限値未満になると、ヒートポンプ２を運転しても所望の蒸気を得られないとして、圧縮機３を停止させてもよい。

いずれにしても、第二設定圧力Ｐ２を第一設定圧力Ｐ１よりも低く設定しておくことで、ヒートポンプ２の運転を優先しつつ、蒸気使用設備へ蒸気を安定して供給することができる。この際、特に、減圧弁３７を用いることで、ボイラ１５からの蒸気供給の有無を自力で切り替えて、ヒートポンプ２の運転を優先させつつ、それでは足りない場合にボイラ１５からの蒸気を蒸気使用設備へ送ることができる。

ところで、本実施例のヒートポンプ式蒸気発生装置１は、蒸気発生用凝縮器４Ｚからの蒸気圧に基づき圧縮機３を制御する以外に、温水冷却用蒸発器（最下段のヒートポンプの蒸発器）６Ｚを通された後の水温に基づき圧縮機３を制御してもよい（図１）。具体的には、温水冷却用蒸発器６Ｚにて冷却後の水温を検出するために、温水冷却用蒸発器６Ｚまたはそこからの排水路３８には温度センサ３９が設けられ、この温度センサ３９の検出信号に基づきヒートポンプ２の圧縮機３が制御される。このような構成の場合、温水冷却用蒸発器６Ｚにおいて、所望温度まで確実に温水を冷却することができる。

なお、複数段のヒートポンプ２を備える蒸気発生装置１において、温水冷却用蒸発器６Ｚを通された後の水温に基づき圧縮機３を制御する場合は、最下段のヒートポンプ２の圧縮機３は、温水冷却用蒸発器６Ｚを通された後の水温に基づき制御され、それより上段の各ヒートポンプ２の圧縮機３は、それぞれ対応する段のヒートポンプ２の蒸発器６（または一つ下段のヒートポンプ２の凝縮器４）における冷媒の圧力または温度に基づき制御すればよい。

温水冷却用蒸発器６Ｚを通された後の水温に基づき圧縮機３を制御する場合、蒸気発生用凝縮器４Ｚにて発生させる蒸気量を直接には制御できないが、前述したようにヒートポンプ式蒸気発生装置１にボイラ１５を併設しておくことで、蒸気使用設備へは安定して蒸気を供給することができる。

図１３は、温水冷却用蒸発器６Ｚを通された後の水温に基づき圧縮機３を制御する場合の蒸気システムの構成例を示す図である。ここでは、構成を簡素化して示しているが、ヒートポンプ２を複数段にできる他、後述する液ガス熱交換器３５やサブクーラ４０などを設けてもよいことは言うまでもない。

図１３の場合、蒸発器６への給水路４１と蒸発器６からの排水路３８とがバイパス路４２で接続され、排水路３８には、バイパス路４２との合流部より上流側に温度センサ３９が設けられる。この温度センサ３９により、蒸発器６の出口側の水温が監視される。

また、蒸発器６を介することなくバイパス路４２を介して排水路３８へ流すバイパス流量を調整可能に構成される。具体的には、図示例の場合、給水路４１とバイパス路４２との分岐部に、三方弁からなるバイパス弁４３が設けられる。但し、分岐部に三方弁を設置する代わりに、分岐部より下流の給水路４１および／またはバイパス路４２に弁を設けて、バイパス流量を調整可能としてもよい。いずれにしても、バイパス流量を調整することで、蒸発器６を通す流量が調整される。

図１３の場合、バイパス流量（前述したとおり蒸発器６への給水量ということもできる）は、温度センサ３９の検出温度を第一設定温度Ｔ１に維持するよう制御される。また、圧縮機３は、温度センサ３９の検出温度を第二設定温度Ｔ２に維持するよう制御される。そして、第二設定温度Ｔ２は、第一設定温度Ｔ１よりも低く設定される（図１４）。

図１４は、温度センサ３９の検出温度、バイパス弁４３の開閉状態、および圧縮機３の動作状態を示す概略図である。ここでは、バイパス弁４３が第一設定温度Ｔ１で開閉され、圧縮機３が第二設定温度Ｔ２でオンオフされる例について説明する。なお、バイパス弁４３をオンオフ制御する場合、バイパス弁４３が閉鎖されると、バイパス路４２への給水が完全に停止される一方、バイパス弁４３が開放されると、バイパス路４２への給水が開始される。この際、蒸発器６とバイパス路４２とに所定割合で給水してもよいし、蒸発器６への給水は停止してもよい。

温度センサ３９の検出温度が第二設定温度Ｔ２未満であると、ヒートポンプ２を運転しても所望の蒸気を得られないとして、圧縮機３が停止されると共にバイパス弁４３は閉鎖している。この状態では、ボイラ１５からの蒸気が蒸気使用設備へ供給される。そして、第二設定温度Ｔ２以上になると、圧縮機３が作動し、ヒートポンプ２から蒸気が供給される。温度センサ３９の検出温度が第一設定温度Ｔ１以上になると、バイパス弁４３が開放し、ヒートポンプ２の保護が図られる。なお、温度センサ３９の検出温度がさらに上昇して上限値ＴＨ以上になると、圧縮機３を強制停止するのがよい。

なお、第一設定温度Ｔ１および第二設定温度Ｔ２には、所望によりそれぞれディファレンシャル（動作隙間）が設定されるのは言うまでもない。また、圧縮機３およびバイパス弁４３は、オンオフ制御だけでなく、比例制御されてもよい。

これらの場合について、図１５に基づき説明する。なお、図１５では、第一設定温度Ｔ１のディファレンシャル（または比例帯）Ｔ１Ｈ〜Ｔ１Ｌと、第二設定温度Ｔ２のディファレンシャル（または比例帯）Ｔ２Ｈ〜Ｔ２Ｌとはオーバーラップしていないが、一部をオーバーラップさせてもよい。つまり、第二上限温度Ｔ２Ｈは、第一下限温度Ｔ１Ｌよりも高温に設定されてもよい。

まず、第一設定温度Ｔ１および第二設定温度Ｔ２に、それぞれディファレンシャルが設定されたオンオフ制御を説明する。この場合、第一設定温度Ｔ１については、第一上限温度Ｔ１Ｈと第一下限温度Ｔ１Ｌとが設定され、温度上昇時、温度センサ３９の検出温度が第一上限温度Ｔ１Ｈ以上になるとバイパス弁４３が開き、温度下降時、温度センサ３９の検出温度が第一下限温度Ｔ１Ｌ未満になるとバイパス弁４３が閉じる。また、第二設定温度Ｔ２については、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとが設定され、温度上昇時、第二上限温度Ｔ２Ｈ以上になると圧縮機３が作動し、温度下降時、第二下限温度Ｔ２Ｌ未満になると圧縮機３が停止する。

次に、圧縮機３とバイパス弁４３を比例制御する場合の一例について説明する。この場合、温度センサ３９の検出温度に基づき、第一上限温度Ｔ１Ｈと第一下限温度Ｔ１Ｌとの範囲で、且つその第一下限温度Ｔ１Ｌを設定値（目標値）としてバイパス弁４３を比例制御する。また、温度センサ３９の検出温度に基づき、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとの範囲で、且つその第二下限温度Ｔ２Ｌを設定値（目標値）として圧縮機３を比例制御する。ここで、第一下限温度Ｔ１Ｌ未満では、バイパス弁４３は全閉し、第一上限温度Ｔ１Ｈ以上では、バイパス弁４３は全開する。また、第二下限温度Ｔ２Ｌ未満では、圧縮機３は停止し、第二上限温度Ｔ２Ｈ以上では、圧縮機３は全負荷運転する。なお、比例制御ではなくＰＩＤ制御を行ってもよい。

いずれの場合も、前述した圧力センサ３４により蒸気圧を監視し、この圧力が上限値以上になると、ヒートポンプ２を運転して蒸気を発生させる必要はないので、圧縮機３を停止させるのがよい。また、バイパス弁４３は、温度センサ３９の検出温度に基づき制御される以外に、この制御と同様に開閉される自力式の温調弁とされてもよい。

これまで述べたように、圧縮機３は、圧力センサ３４の検出圧力に基づき制御される（図１１，図１２）他、これに代えて温度センサ３９の検出温度に基づき制御される（図１４，図１５）。但し、圧縮機３は、圧力センサ３４と温度センサ３９の双方に基づき、制御されてもよい。その一例について、次に説明する。これは、図１２による制御と、図１５による制御との組合せといえる。

まず、圧縮機３は、圧力センサ３４の検出圧力に基づき、第一上限圧力Ｐ１Ｈと第一下限圧力Ｐ１Ｌとの範囲で、且つその第一上限圧力Ｐ１Ｈを設定値として比例制御可能とされる。また、圧縮機３は、温度センサ３９の検出温度に基づき、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとの範囲で、且つその第二下限温度Ｔ２Ｌを設定値として比例制御可能とされる。そして、設定タイミング（たとえば設定時間ごと）で、次式により第一偏差率η１と第二偏差率η２とを求め、圧力センサ３４による制御と温度センサ３９による制御との内、偏差率の小さい方の制御に切り替えて、圧縮機３を制御すればよい。具体的には、η１＜η２の関係にある場合、圧力センサ３４の検出圧力に基づき圧縮機３を比例制御すればよく、η１＞η２の関係にある場合、温度センサ３９の検出温度に基づき圧縮機３を比例制御すればよい。なお、現在圧力Ｐとは、圧力センサ３４による検出圧力であり、現在温度Ｔとは、温度センサ３９による検出温度である。

第一偏差率η１＝（第一上限圧力Ｐ１Ｈ−現在圧力Ｐ）／（第一上限圧力Ｐ１Ｈ−第一下限圧力Ｐ１Ｌ）
第二偏差率η２＝（現在温度Ｔ−第二下限温度Ｔ２Ｌ）／（第二上限温度Ｔ２Ｈ−第二下限温度Ｔ２Ｌ）

偏差率が小さいほど、目標値に近いので、圧縮機３の操作量は小さくなる。仮に、偏差率が大きい方、つまり操作量が大きい方で圧縮機３を制御しようとすると、偏差率が小さい方、つまり操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、偏差率の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、圧縮機３が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

この制御中、温度センサ３９の検出温度が下限値未満になったり、温度センサ３９の検出温度が上限値以上になったり、圧力センサ３４の検出圧力が上限値以上になったりすると、圧縮機３を強制停止させるのがよい。なお、比例制御ではなくＰＩＤ制御を行ってもよい。

圧力センサ３４による制御と温度センサ３９による制御とは、上述したように偏差率に基づき切り替える以外に、圧縮機３の操作量に基づき切り替えてもよい。この場合も、圧縮機３は、圧力センサ３４の検出圧力に基づき、第一上限圧力Ｐ１Ｈと第一下限圧力Ｐ１Ｌとの範囲で、且つその第一上限圧力Ｐ１Ｈを設定値として比例制御またはＰＩＤ制御可能とされる。また、圧縮機３は、温度センサ３９の検出温度に基づき、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとの範囲で、且つその第二下限温度Ｔ２Ｌを設定値として比例制御またはＰＩＤ制御可能とされる。そして、設定タイミング（たとえば設定時間ごと）で、圧力センサ３４による制御における圧縮機３の操作量と、温度センサ３９による制御における圧縮機３の操作量とを求め、圧力センサ３４による制御と温度センサ３９による制御との内、操作量の小さい方で圧縮機３を制御すればよい。たとえば、圧力センサ３４による制御では操作量Ｘとする必要がある一方、温度センサ３９による制御では操作量Ｙとする必要がある場合において、Ｘ＜Ｙの関係にある場合、圧力センサ３４の検出圧力に基づき圧縮機３を制御すればよく、Ｘ＞Ｙの関係にある場合、温度センサ３９の検出温度に基づき圧縮機３を制御すればよい。

圧力センサ３４による制御と温度センサ３９による制御とを、偏差率または操作量に基づき切替制御する場合において、図１６に示すように、ヒートポンプ２は複数段であってもよい。なお、図１６では、２段のヒートポンプ２Ａ，２Ｂを示しているが、３段以上も同様に制御可能である。また、図１６では、液ガス熱交換器３５やサブクーラ４０などを設けていないが、これらを設けてもよいことは言うまでもない。

この場合、最上段のヒートポンプ２Ｂの圧縮機３Ｂは、圧力センサ３４の検出圧力に基づき、第一上限圧力Ｐ１Ｈと第一下限圧力Ｐ１Ｌとの範囲で、且つその第一上限圧力Ｐ１Ｈを設定値として比例制御またはＰＩＤ制御可能とされる。また、最下段のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａは、温度センサ３９の検出温度に基づき、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとの範囲で、且つその第二下限温度Ｔ２Ｌを設定値として比例制御またはＰＩＤ制御可能とされる。

そして、破線で示すように、圧力センサ３４の検出圧力に基づき最上段のヒートポンプ２Ｂの圧縮機３Ｂを制御する場合、それより下段の各ヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａは、その段の凝縮器４Ａまたは一つ上段の蒸発器６Ｂの冷媒の圧力（冷媒圧センサ４４の検出圧力）に基づき制御される。また、一点鎖線で示すように、温度センサ３９の検出温度に基づき最下段のヒートポンプ２Ａの圧縮機３Ａを制御する場合、それより上段の各ヒートポンプ２Ｂの圧縮機３Ｂは、その段の蒸発器６Ｂまたは一つ下段の凝縮器４Ａの冷媒の圧力（冷媒圧センサ４４の検出圧力）に基づき制御される。なお、凝縮器４の冷媒の圧力は、圧縮機３出口から膨張弁５入口までのいずれの箇所で検出してもよく、蒸発器６の冷媒の圧力は、膨張弁５出口から圧縮機３入口までのいずれの箇所で検出してもよい。

そして、偏差率に基づき切替制御する場合、設定タイミングで、上述したのと同様に第一偏差率η１と第二偏差率η２とを求め、圧力センサ３４による制御と温度センサ３９による制御との内、偏差率の小さい方の制御に切り替えればよい。

あるいは、操作量に基づき切替制御する場合、設定タイミングで、圧力センサ３４による制御における最上段の圧縮機３Ｂの操作量（第一操作量ｙ１）と、温度センサ３９による制御における最下段の圧縮機３Ａの操作量（第二操作量ｙ２）とから、第一操作量ｙ１の第二操作量ｙ２に対する比の値ｙ１／ｙ２を求め、この値が予め設定された定数未満なら、圧力センサ３４による制御を行う一方、前記定数以上なら温度センサ３９による制御を行えばよい。

ところで、単段のヒートポンプ２、または複数段のヒートポンプ２の内の一部または全部のヒートポンプ２において、図１から図８において二点鎖線で示すように、液ガス熱交換器３５を設置してもよい。この液ガス熱交換器３５では、凝縮器４から膨張弁５への冷媒と蒸発器６から圧縮機３への冷媒とを混ぜることなく熱交換する。これにより、蒸発器６から圧縮機３への冷媒は、液ガス熱交換器３５により、凝縮器４から膨張弁５への冷媒で過熱される。これにより、圧縮機３の入口側のエンタルピを高めて、そしてそれにより圧縮機３の出口側のエンタルピも高めることで、ヒートポンプ２の成績係数（ＣＯＰ）を高めることができる。しかも、圧縮機３へ液冷媒が供給される不都合も防止できる。

但し、複数段のヒートポンプ２の場合、最上段のヒートポンプ２には液ガス熱交換器３５を設けない方が好ましい。高温高圧となる最上段のヒートポンプ２には液ガス熱交換器３５を設けないことで、圧縮機の出口側の温度上昇を防止することができ、圧縮機３の潤滑油の劣化を防止することができる。

また、蒸気発生用凝縮器４Ｚから膨張弁５への冷媒を、蒸気発生用凝縮器４Ｚへの給水で冷却するサブクーラ４０を設けてもよい。この場合、サブクーラ４０により、凝縮器４から膨張弁５への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器４への給水の加温を図ることができる。また、冷媒と水との熱交換は、顕熱による熱交換部としてのサブクーラ４０と、主として潜熱による熱交換部としての凝縮器４とに分けられるので、伝熱効率がよい。なお、液ガス熱交換器３５とサブクーラ４０との双方を設ける場合、図示例の二点鎖線では、サブクーラ４０の出口側の冷媒を液ガス熱交換器３５に通しているが、図１（図２以降も図示は省略するが同様）において一点鎖線で示すように、凝縮器４とサブクーラ４０との間から冷媒を液ガス熱交換器３５に通してもよい。この際、凝縮器４とサブクーラ４０との間から冷媒を液ガス熱交換器３５に通した後、サブクーラ４０の入口側へ戻すのではなく、サブクーラ４０の出口側へ戻してもよい。つまり、凝縮器４からの冷媒を、液ガス熱交換器３５とサブクーラ４０とに並列に供給し、液ガス熱交換器３５とサブクーラ４０とからの各冷媒を合流して膨張弁５へ送るように構成してもよい。

その他、蒸気発生用凝縮器４Ｚは、断熱材で囲ってもなお放熱があるので、この放熱を用いて加温した水を、蒸気発生用凝縮器４Ｚにおいて蒸気化してもよい。

また、圧縮機３からも放熱があるので、この放熱を用いて加温した水を、蒸蒸気発生用凝縮器４Ｚへ供給して蒸気化してもよい。蒸気発生用凝縮器４Ｚへの給水で圧縮機３を冷却するには、圧縮機本体のケーシングに設けた水冷壁に水を通せばよい。

さらに、単段または最下段のヒートポンプ２の蒸発器６Ｚへは、蒸気発生用凝縮器４Ｚおよび／または圧縮機３の熱で加温された水を供給してもよい。

ヒートポンプ式蒸気発生装置１が複数段のヒートポンプ２を備える場合、ヒートポンプ式蒸気発生装置１は複数の圧縮機３を備えることになる。その他、複数の圧縮機３を備える場合として、単段または複数段の各ヒートポンプ２の蒸発器６と凝縮器４との間に、圧縮機３を並列に複数台設置する場合もある。また、複数のヒートポンプ式蒸気発生装置１を並列に複数設置する場合もある。いずれの場合も、複数の圧縮機３は、それぞれ圧縮機本体とその駆動装置とから構成し、複数の圧縮機本体をベルト伝動装置などにより共通の駆動装置で駆動してもよい。

また、複数の圧縮機３は、共通の制御器および／または個別の制御器で制御することができる。この際、ヒートポンプ２の蒸発器６と凝縮器４との間に複数の圧縮機３を並列に設置している場合、または複数のヒートポンプ式蒸気発生装置１を並列に設置して蒸気を合流させる場合、蒸気発生用凝縮器４Ｚにて発生させた蒸気圧、および／または温水冷却用蒸発器６Ｚを通された後の水温に基づき、複数の圧縮機３の内の運転台数を変更してもよい。

たとえば、２台の圧縮機３の台数制御の場合、図１１を参照して、第二設定圧力Ｐ２未満では２台とも運転させ、第二設定圧力Ｐ２以上第一設定圧力Ｐ１未満では１台のみ運転させ、第一設定圧力Ｐ１以上では２台とも停止させればよい。この際、いずれか１台を停止させる際には、稼働時間の長い圧縮機３を停止させ、いずれか１台を駆動する際には、稼働時間の短い圧縮機３を駆動するのがよい。なお、稼働時間として、各圧縮機３の積算回転数を用いてもよい。

また、蒸気発生用凝縮器４Ｚにて発生させた蒸気圧、または温水冷却用蒸発器６Ｚを通された後の水温に基づき、複数の圧縮機３の内、少なくとも一の圧縮機３について、冷媒の吐出流量を調整してもよい。少なくとも一台の圧縮機３で、冷媒の吐出流量を調整すれば、例えば運転台数の変更を滑らかに行うことができる。なお、冷媒の吐出流量の調整は、たとえば、圧縮機本体を駆動するモータをインバータ制御することで実現できる。

また、圧縮機３の駆動装置として、エンジンおよびモータの双方を備える場合、このエンジンおよびモータの内、いずれを用いて圧縮機３を運転するか、または双方を用いて圧縮機３を運転するかを、蒸気発生用凝縮器４Ｚにて発生させた蒸気圧、または温水冷却用蒸発器６Ｚを通された後の水温に基づき変更してもよい。なお、エンジンとモータとを備え、圧縮機３の制御をクラッチで行う場合、クラッチを切り離した状態でもエンジンは駆動したままであるから、その間はエンジンにより発電機で発電するのに適する。

さらに、蒸気発生用凝縮器４Ｚにて発生させた蒸気圧は、前述したように設定範囲内に維持されるが、万一、その範囲を超えて設定上限値に達すると、各ヒートポンプ２の圧縮機３を強制停止させるよう構成しておけば、安全性を高めることができる。なお、水側の蒸気圧ではなく、冷媒側の蒸気圧を監視してもよい。その他、蒸発器６の入口または出口における被冷却流体（排温水など）の温度、またはヒートポンプサイクル内の冷媒の圧力または温度（たとえば、圧縮機３、膨張弁５または中間冷却器８，９の入口または出口における冷媒の圧力または温度）を監視して、それが上限値を超えるとヒートポンプ２の運転にインターロックをかけるよう構成してもよい。

本発明のヒートポンプ式蒸気発生装置１は、前記各実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。特に、単段または複数段の各ヒートポンプ２は、図１から図８に基づき説明した構成に限らず、適宜に変更可能である。たとえば、蒸発器６を並列に設置したり、膨張弁５と蒸発器６とのセットを並列に設置したりしてもよい。また、圧縮機３の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器４の出口側に受液器を設置したりしてもよい。さらに、圧縮機３の入口側にアキュムレータを設置してもよい。

また、前記実施例では、温水から熱をくみ上げて蒸気を発生させる例について説明したが、温水に代えて、空気や排ガスなどを用いてもよい。

さらに、工場などから排出される排温水、圧縮機３の冷却水として用いた水、エンジン（圧縮機３の駆動装置）のオイルクーラにおいて冷却水として用いた水、エンジンのジャケットの冷却水として用いた水、および、ボイラ１５からの排ガスの冷却水として用いた水の内、一または複数を用いて、凝縮器４への給水の加温、蒸発器６への給水の加温、またはボイラ１５への給水の加温ができる他、前記各冷却水として用いた水自体を凝縮器４やボイラ１５への給水に用いたり、蒸発器６に通したりしてもよい。たとえば、凝縮器４への給水路２０（給水路２０にサブクーラ４０を設ける場合にはそれより上流側）に、間接熱交換器を設置して、工場などからの排温水またはオイルクーラなどを通過後の水で、凝縮器４への給水の加温を図ることができる。

また、図１３では、蒸発器６への給水路４１と蒸発器６からの排水路３８とをバイパス路４２で接続し、給水路４１とバイパス路４２との分岐部に設けたバイパス弁４３により蒸発器６に通す給水量を調整する構成としたが、蒸発器６を通過する水量を調整可能であれば適宜に変更可能である。たとえば、蒸発器６への給水路４１に三方弁を設けて、給水の一部を分岐させる点は図１３と同じであるが、その分岐水を排水路３８に合流させずに、別系統としたり、クーリングタワーに戻したり、あるいはそのまま排水したりしてもよい。あるいは、図１３において、バイパス路４２およびバイパス弁４３の設置を省略する代わりに、給水路４１に弁を設けて、その弁の開閉または開度を調整してもよい。なお、いずれの場合も、排水路３８からの排水は、そのまま捨てられるか、クーリングタワーなどに戻されるか、あるいは蒸発器６にて冷却された水なら設備へ戻してもよい。

１ ヒートポンプ式蒸気発生装置
２（２Ａ〜２Ｃ） ヒートポンプ
３（３Ａ〜３Ｃ） 圧縮機
４（４Ａ〜４Ｃ） 凝縮器
４Ｚ 蒸気発生用凝縮器（最上段のヒートポンプの凝縮器）
５（５Ａ〜５Ｃ） 膨張弁
６（６Ａ〜６Ｃ） 蒸発器
６Ｚ 温水冷却用蒸発器（最下段のヒートポンプの蒸発器）
７ 間接熱交換器
８ （タンク型）中間冷却器
９ （熱交型）中間冷却器
１５ ボイラ
３３ （蒸気発生用凝縮器からの）蒸気路
３４ 圧力センサ
３５ 液ガス熱交換器
３６ （ボイラからの）蒸気路
３７ 減圧弁
３８ 排水路
３９ 温度センサ
４０ サブクーラ
４１ 給水路
４２ バイパス路
４３ バイパス弁

請求項４に記載の発明は、前記蒸発器において、前記冷媒と被冷却流体とを熱交換して被冷却流体の冷却を図り、前記蒸発器の出口側に設けた温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項４に記載の発明によれば、工場などから排出される排温水など、被冷却流体の熱をくみ上げて蒸気を発生させることができる。また、蒸発器を通された後の被冷却流体の温度に基づき圧縮機を制御することができる。

請求項５に記載の発明は、前記温度センサの検出温度を第一設定温度に維持するよう前記蒸発器への被冷却流体供給量が制御され、前記温度センサの検出温度を第二設定温度に維持するよう前記圧縮機が制御され、前記第二設定温度は、前記第一設定温度よりも低く設定されることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項８に記載の発明は、複数段のヒートポンプを備え、最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と被冷却流体とを熱交換し、最上段のヒートポンプの凝縮器において、蒸気を発生させ、前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、前記圧力センサの検出圧力に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、前記温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、設定タイミングで次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御との内、偏差率の小さい方の制御に切り替えることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。
第一偏差率＝（第一上限圧力−現在圧力）／（第一上限圧力−第一下限圧力）
第二偏差率＝（現在温度−第二下限温度）／（第二上限温度−第二下限温度）

請求項９に記載の発明は、複数段のヒートポンプを備え、最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と被冷却流体とを熱交換し、最上段のヒートポンプの凝縮器において、蒸気を発生させ、前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、前記圧力センサの検出圧力に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、前記温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、設定タイミングで、前記圧力センサによる制御における最上段のヒートポンプの圧縮機の第一操作量（ｙ１）と、前記温度センサによる制御における最下段のヒートポンプの圧縮機の第二操作量（ｙ２）とから、前記第一操作量（ｙ１）の前記第二操作量（ｙ２）に対する比の値（ｙ１／ｙ２）を求め、この値が予め設定された定数未満なら、前記圧力センサによる制御を行う一方、前記定数以上なら前記温度センサによる制御を行うことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項１８に記載の発明は、ヒートポンプの蒸発器と凝縮器との間に並列に設置される複数の圧縮機、または複数のヒートポンプが並列に設置されることによる複数の圧縮機を備え、単段もしくは最上段のヒートポンプの凝縮器にて発生させた蒸気の圧力、および／または単段もしくは最下段のヒートポンプの蒸発器を通された後の被冷却流体の温度に基づき、前記複数の圧縮機の内の運転台数を変更することを特徴とする請求項１７に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項１８に記載の発明によれば、圧縮機の運転台数を変更することで、凝縮器からの蒸気の圧力、および／または蒸発器を通された後の被冷却流体の温度を所望に調整することができる。

請求項１９に記載の発明は、単段もしくは最上段のヒートポンプの凝縮器にて発生させた蒸気の圧力、および／または単段もしくは最下段のヒートポンプの蒸発器を通された後の被冷却流体の温度に基づき、前記複数の圧縮機の内、少なくとも一の圧縮機について、冷媒の吐出流量を調整することを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項１９に記載の発明によれば、圧縮機からの冷媒の吐出流量を調整することで、凝縮器からの蒸気の圧力、および／または蒸発器を通された後の被冷却流体の温度を所望に調整することができる。

請求項２０に記載の発明は、前記圧縮機を駆動するエンジンおよびモータを備え、このエンジンおよびモータの内、いずれを用いて圧縮機を運転するか、または双方を用いて圧縮機を運転するかが、前記蒸気の圧力または前記蒸発器通過後の被冷却流体温度に基づき変更されることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項２０に記載の発明によれば、エンジンおよびモータの一方または双方を用いて、所望の蒸気圧の蒸気を得るか、所望温度まで被冷却流体の冷却を図ることができる。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプを備え、前記凝縮器において、前記冷媒と水とを熱交換して蒸気を発生させ、前記蒸発器において、前記冷媒と被冷却流体とを熱交換して被冷却流体の冷却を図り、前記凝縮器にて発生させた蒸気の圧力を検出する圧力センサの検出圧力に基づき、前記圧縮機を制御可能であると共に、前記蒸発器の出口側に設けた温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であり、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御とを切り替えて前記圧縮機を制御することを特徴とするヒートポンプ式蒸気発生装置である。

請求項１に記載の発明によれば、工場などから排出される排温水など、被冷却流体の熱をくみ上げて蒸気を発生させることができる。また、蒸発器を通された後の被冷却流体の温度に基づき圧縮機を制御することができる。

請求項２に記載の発明は、前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、設定タイミングで次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御との内、偏差率の小さい方で前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。
第一偏差率＝（第一上限圧力−現在圧力）／（第一上限圧力−第一下限圧力）
第二偏差率＝（現在温度−第二下限温度）／（第二上限温度−第二下限温度）

偏差率が小さいほど、目標値に近いので、圧縮機の操作量は小さくなる。仮に、偏差率が大きい方、つまり操作量が大きい方で圧縮機を制御しようとすると、偏差率が小さい方、つまり操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項２に記載の発明によれば、偏差率の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

請求項３に記載の発明は、前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、設定タイミングで、前記圧力センサによる制御における前記圧縮機の操作量と、前記温度センサによる制御における前記圧縮機の操作量とを求め、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御との内、操作量の小さい方で前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

仮に、操作量が大きい方で圧縮機を制御しようとすると、操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項３に記載の発明によれば、操作量の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

請求項４に記載の発明は、複数段のヒートポンプを備え、最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と被冷却流体とを熱交換し、最上段のヒートポンプの凝縮器において、蒸気を発生させ、前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、前記圧力センサの検出圧力に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、前記温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、設定タイミングで次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御との内、偏差率の小さい方の制御に切り替えることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。
第一偏差率＝（第一上限圧力−現在圧力）／（第一上限圧力−第一下限圧力）
第二偏差率＝（現在温度−第二下限温度）／（第二上限温度−第二下限温度）

偏差率が小さいほど、目標値に近いので、各圧縮機の操作量は小さくなる。仮に、偏差率が大きい方、つまり操作量が大きい方で各圧縮機を制御しようとすると、偏差率が小さい方、つまり操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項４に記載の発明によれば、偏差率の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、各圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

請求項５に記載の発明は、複数段のヒートポンプを備え、最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と被冷却流体とを熱交換し、最上段のヒートポンプの凝縮器において、蒸気を発生させ、前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、前記圧力センサの検出圧力に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、前記温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、設定タイミングで、前記圧力センサによる制御における最上段のヒートポンプの圧縮機の第一操作量（ｙ１）と、前記温度センサによる制御における最下段のヒートポンプの圧縮機の第二操作量（ｙ２）とから、前記第一操作量（ｙ１）の前記第二操作量（ｙ２）に対する比の値（ｙ１／ｙ２）を求め、この値が予め設定された定数未満なら、前記圧力センサによる制御を行う一方、前記定数以上なら前記温度センサによる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。

仮に、操作量が大きい方で各圧縮機を制御しようとすると、操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項５に記載の発明によれば、操作量の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、各圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

Claims (26)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプを備え、
   前記凝縮器において、前記冷媒と水とを熱交換して蒸気を発生させ、
   この凝縮器にて発生させた蒸気の圧力を検出する圧力センサの検出圧力に基づき、前記圧縮機を制御する
   ことを特徴とするヒートポンプ式蒸気発生装置。
2. 前記凝縮器からの蒸気に、ボイラからの蒸気が弁を介して合流するよう構成され、
   前記凝縮器からの蒸気と前記ボイラからの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置に前記圧力センサが設けられ、
   前記圧縮機は、前記圧力センサの検出圧力を第一設定圧力に維持するよう制御され、
   前記弁は、それより下流側の蒸気圧を第二設定圧力に維持するよう開閉または開度が調整され、
   前記第二設定圧力は、前記第一設定圧力よりも低く設定される
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
3. 前記弁は、減圧弁から構成され、
   この減圧弁の設定圧力が前記第一設定圧力よりも低い
   ことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
4. 前記蒸発器において、前記冷媒と温水とを熱交換して温水の冷却を図り、
   前記蒸発器の出口側に設けた温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
5. 前記温度センサの検出温度を第一設定温度に維持するよう前記蒸発器への給水量が制御され、
   前記温度センサの検出温度を第二設定温度に維持するよう前記圧縮機が制御され、
   前記第二設定温度は、前記第一設定温度よりも低く設定される
   ことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
6. 前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、
   前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、
   設定タイミングで次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御との内、偏差率の小さい方で前記圧縮機を制御する
   ことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
   第一偏差率＝（第一上限圧力−現在圧力）／（第一上限圧力−第一下限圧力）
   第二偏差率＝（現在温度−第二下限温度）／（第二上限温度−第二下限温度）
7. 前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、
   前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、
   設定タイミングで、前記圧力センサによる制御における前記圧縮機の操作量と、前記温度センサによる制御における前記圧縮機の操作量とを求め、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御との内、操作量の小さい方で前記圧縮機を制御する
   ことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
8. 複数段のヒートポンプを備え、
   最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と温水とを熱交換し、
   最上段のヒートポンプの凝縮器において、蒸気を発生させ、
   前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、
   前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、
   前記圧力センサの検出圧力に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、
   前記温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、
   設定タイミングで次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御との内、偏差率の小さい方の制御に切り替える
   ことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
   第一偏差率＝（第一上限圧力−現在圧力）／（第一上限圧力−第一下限圧力）
   第二偏差率＝（現在温度−第二下限温度）／（第二上限温度−第二下限温度）
9. 複数段のヒートポンプを備え、
   最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と温水とを熱交換し、
   最上段のヒートポンプの凝縮器において、蒸気を発生させ、
   前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御するか、
   前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはＰＩＤ制御し、
   前記圧力センサの検出圧力に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、
   前記温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、
   設定タイミングで、前記圧力センサによる制御における最上段のヒートポンプの圧縮機の第一操作量（ｙ１）と、前記温度センサによる制御における最下段のヒートポンプの圧縮機の第二操作量（ｙ２）とから、前記第一操作量（ｙ１）の前記第二操作量（ｙ２）に対する比の値（ｙ１／ｙ２）を求め、この値が予め設定された定数未満なら、前記圧力センサによる制御を行う一方、前記定数以上なら前記温度センサによる制御を行う
   ことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
10. 複数段のヒートポンプを備え、
    最上段のヒートポンプの凝縮器において、蒸気を発生させ、
    隣接する段のヒートポンプ同士は次の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの関係にある
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
    （ａ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器を備え、この間接熱交換器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
    （ｂ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
    （ｃ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換すると共に、この両冷媒と上段ヒートポンプの凝縮器から膨張弁を介することなく供給される冷媒とを混ぜることなく熱交換する中間冷却器を備え、下段ヒートポンプの圧縮機、前記中間冷却器、上段ヒートポンプの圧縮機、上段ヒートポンプの凝縮器、前記中間冷却器、下段ヒートポンプの膨張弁、下段ヒートポンプの蒸発器、そして再び下段ヒートポンプの圧縮機へ戻るよう冷媒を循環させる。
11. 上下に隣接する段のヒートポンプ同士は、前記（ａ）の関係にあり、
    下段ヒートポンプは、上段ヒートポンプよりも沸点の低い冷媒を用いた
    ことを特徴とする請求項１０に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
12. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ、または請求項８〜１１のいずれか１項に記載の複数段のヒートポンプの内の一部または全部のヒートポンプにおいて、凝縮器から膨張弁への冷媒と蒸発器から圧縮機への冷媒とを混ぜることなく熱交換する液ガス熱交換器を備える
    ことを特徴とするヒートポンプ式蒸気発生装置。
13. 複数段のヒートポンプの場合、最上段のヒートポンプには前記液ガス熱交換器が設けられない
    ことを特徴とする請求項１２に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
14. 蒸気発生用凝縮器から膨張弁への冷媒を、蒸気発生用凝縮器への給水で冷却するサブクーラを備える
    ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
15. 蒸気発生用凝縮器へは、圧縮機の熱で加温された水が供給される
    ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
16. 単段または最下段のヒートポンプの蒸発器へは、蒸気発生用凝縮器および／または圧縮機の熱で加温された水が供給される
    ことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
17. ヒートポンプの蒸発器と凝縮器との間に並列に設置される複数の圧縮機、複数のヒートポンプが並列に設置されることによる複数の圧縮機、またはヒートポンプが複数段に設置されることによる複数の圧縮機は、共通の制御器および／または個別の制御器で制御される
    ことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
18. ヒートポンプの蒸発器と凝縮器との間に並列に設置される複数の圧縮機、または複数のヒートポンプが並列に設置されることによる複数の圧縮機を備え、
    単段もしくは最上段のヒートポンプの凝縮器にて発生させた蒸気の圧力、および／または単段もしくは最下段のヒートポンプの蒸発器を通された後の温水の温度に基づき、前記複数の圧縮機の内の運転台数を変更する
    ことを特徴とする請求項１７に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
19. 単段もしくは最上段のヒートポンプの凝縮器にて発生させた蒸気の圧力、および／または単段もしくは最下段のヒートポンプの蒸発器を通された後の温水の温度に基づき、前記複数の圧縮機の内、少なくとも一の圧縮機について、冷媒の吐出流量を調整する
    ことを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
20. 前記圧縮機を駆動するエンジンおよびモータを備え、
    このエンジンおよびモータの内、いずれを用いて圧縮機を運転するか、または双方を用いて圧縮機を運転するかが、前記蒸気の圧力または前記蒸発器通過後の水温に基づき変更される
    ことを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
21. 前記蒸気の圧力が上限値を超えるか、前記蒸発器の入口または出口の被冷却流体の温度が上限値を超えると、前記圧縮機を強制停止させる
    ことを特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
22. 蒸気発生用凝縮器へは、純水または軟水が供給される
    ことを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
23. 蒸気発生用凝縮器内の水位を設定範囲に維持するように、蒸気発生用凝縮器への給水を制御する
    ことを特徴とする請求項２２に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
24. 前記圧縮機の積算回転数に基づき、蒸気発生用凝縮器内の水を入れ替える
    ことを特徴とする請求項２２または請求項２３に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
25. 前記冷媒は、次の（ａ）〜（ｃ）のいずれかである
    ことを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
    （ａ）炭素数が４以上のハイドロフルオロカーボン、またはこれに水および／または消火液を加えたもの。
    （ｂ）アルコール、またはこれに水および／または消火液を加えたもの。
    （ｃ）水。
26. 工場などからの排温水、前記圧縮機の冷却水、前記圧縮機のエンジンの潤滑油の冷却水、前記圧縮機のエンジンのジャケット冷却水、および前記ボイラからの排ガスの冷却水の内、少なくとも一つは、前記凝縮器への給水、前記蒸発器への給水、または前記ボイラへの給水とされるか、これら給水と熱交換される
    ことを特徴とする請求項２〜２５のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。

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